Nghiên cứu khoa học công nghệ
PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG WBAN
PHÂN CỤM KHI LỖI BÍT
Nguyễn Như Thắng1, Nguyễn Huy Hoàng2*, Phạm Thanh Hiệp2
Tóm tắt: Khái niệm về phân cụm cho mạng tuyến quanh thể (WBAN) đã
được chỉ ra trong một số nghiên cứu, theo đó phương pháp điều khiển truy cập cũng
đã được đề xuất để tăng thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên, kênh truyền giữa các
cảm biến thành viên với cụm trưởng hay giữa cụm trưởng với bộ điều phối được giả
định không lỗi, việc giải các gói tin phía thu được xem như luôn
thành công. Việc giả định này chưa sát với thực tế các cảm biến trong mạng
WBAN luôn truyền tín hiệu với công suất thấp để kéo dài tuổi thọ của cảm biến
tránh ảnh hưởng tới thể. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất phương pháp
phân tích phương pháp phân cụm điều khiển truy cập trong trường hợp lỗi bít
cho mạng WBAN. Các công thức tính lỗi bít được đưa vào để phân tích thông lượng
của hệ thống thông lượng của các phương pháp điều khiển được so sánh khi các
tham số hệ thống thay đổi. Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng phương pháp tái sử
dụng siêu khung theo không gian cho thông lượng lớn hơn các phương pháp khác
tại mọi giá trị của tỷ lệ tín trên tạp (SNR) hay các tham số hệ thống khác.
Từ khóa: Mạng WBAN phân cụm, Tái sử dụng siêu khung theo không gian, Tỷ lệ lỗi bít, Thông lượng.
1. MỞ ĐẦU
WBAN đầu tiên được đề xuất để ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhằm giám sát
bệnh nhân bị bệnh tim mạch, giám sát chăm sóc người cao tuổi, phát hiện ung thư,
hệ thống y học từ xa [1]-[2]. Các bệnh viện sẽ quản lý và giám sát được toàn bộ
các thông tin của bệnh nhân như: nhịp tim, huyết áp, các tham số của máu... một
cách liên tục và tức thời, điều này sẽ thực sự có ý nghĩa trong việc điều trị bệnh
nhân. Những người gặp các vấn đề về sức khỏe như các bệnh về huyết áp, bệnh
tiểu đường, bệnh tim mạch... sẽ cảm thấy yên tâm hơn khi họ biết rằng họ đang
được liên tục giám sát y tế, bất kể là họ đang ở đâu và làm gì. Ở cấp độ cao hơn,
WBAN không những chỉ dừng lại ở việc giám sát mà còn trực tiếp tham gia vào
việc điều trị. Một ví dụ điển hình là các nhà khoa học đã thực hiện cấy cảm biến
vào võng mạc của bệnh nhân khiếm thị để trao cơ hội cho họ có được cảm nhận về
một thế giới thực hoặc là phát hiện ung thư bằng các cảm biến có khả năng phát
hiện oxit nitric tạo ra bởi tế bào ung thư mà không cần phải sinh khiết. Trong
tương lai WBAN, hứa hẹn mang lại một nền tảng hạ tầng mới cho lĩnh vực y tế. Vì
thế, nhiều nghiên cứu cho WBAN đã được tiến hành và công bố trong thời gian
gần đây.
Nhiều nhà nghiên cứu đã phân tích, đánh giá hiệu năng mạng dựa trên giao thức
CSMA/CA với các chuẩn truyền thông vô tuyến khác nhau như: IEEE 802.11e [3];
IEEE 802.11 [4]-[5]; IEEE 802.15.3 [6]; IEEE 802.15.4 [7] trong các nghiên cứu của
họ. Tuy nhiên, do cơ chế của CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 khác với cơ chế của
các công nghệ vô tuyến khác, những mô hình phân tích này không đúng cho chuẩn
IEEE 802.15.6 [8]. Trong [9], các tác giả phân tích những ảnh hưởng của độ dài
khoảng truy cập đến hiệu năng mạng. Họ kết luận rằng độ dài khoảng truy cập nhỏ
hay lớn ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng tài nguyên mạng và giao thức
CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 không hiệu quả khi lưu lượng tải cao. Trong [10],
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017
51
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
các tác giả đã đề xuất mô hình giải tích để đánh giá hiệu năng mạng dưới điều kiện
kênh không bão hòa, kết quả chỉ ra rằng việc chọn độ dài các khoảng truy cập ngẫu
nhiên phù hợp sẽ cải thiện được thông lượng của mạng. Trong [11], các tác giả
nghiên cứu hiệu năng của chuẩn IEEE 802.15.6 với giao thức CSMA/CA ở điều
kiện bão hòa. Các kết quả chỉ ra rằng thiết bị được truy cập một cách dễ dàng bởi các
cảm biến có ưu tiên cao, trong khi các cảm biến khác thì không được phép truy cập.
Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào mô hình đơn chặng cho
WBAN mà chưa nghiên cứu tới mô hình mở rộng cho mạng WBAN. Mặt khác,
các nghiên cứu này giả sử mô hình hệ thống là lý tưởng, không có tạp âm, vì thế
không có lỗi bít do ảnh hưởng của tạp âm. Điều này chưa sát với thực tế. Nhóm
nghiên cứu của chúng tôi đã đề xuất mô hình phân cụm cho WBAN [12], và có
những nghiên cứu cụ thể cho mô hình phân cụm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.6
[13]-[15]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiếp tục tập trung nghiên cứu hệ thống
phân cụm không điều khiển, phân cụm tái sử dụng siêu khung theo không gian và
phân cụm điều khiển hoàn toàn trong trường hợp không lý tưởng, xuất hiện lỗi bít
ở thiết bị thu do ảnh hưởng của tạp âm. Ở đây, tham số tỷ lệ tín trên tạp được đưa
vào để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm lên thông lượng của hệ thống. Các công
thức tính lỗi bít cho mã kênh theo chuẩn IEEE 802.15.6 được nghiên cứu và đưa
vào phân tích thông lượng của hệ thống. Thông lượng được so sánh dựa trên các
phương pháp điều khiển khác nhau khi các tham số hệ thống thay đổi.
Bài báo trình bày hệ thống WBAN phân cụm, các phương pháp điều khiển truy
cập, phân tích đánh giá thông lượng thông qua các công thức toán học. Cuối cùng
là kết quả tính toán thông lượng khi các tham số hệ thống thay đổi, qua đó, đánh
giá ảnh hưởng của các tham số hệ thống đến thông lượng của hệ thống WBAN.
2. HÌNH PHÂN CỤM ĐIỀU KHIỂN
2.1. hình hệ thống
Hình 1. hình hệ thống WBAN phân cụm không tưởng.
52
N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi lỗi bít.
N
s
π
N
3
π
s
P
s
P
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Mô hình phân cụm có điều khiển đã trình bày trong tài liệu [15], trong điều kiện
không lý tưởng, WBAN phân cụm được thể hiện ở hình 1, bao gồm một bộ điều
phối, các cụm có 1 cụm trưởng (CH) và một số cảm biến. Việc phát dữ liệu từ các
cảm biến thành viên tới CH của nó và từ các CH tới bộ điều phối hoạt động theo
phương pháp truy cập CSMA/CA. Bởi vậy, CH bị ảnh hưởng không chỉ bởi các
cảm biến thành viên, mà còn bởi các CH và các cảm biến thành viên ở cụm ngay
cạnh nó. Trong hình 1, 6 CH có nghĩa là có 6 cụm được chia ra bởi các cạnh tách
biệt nhau trong cụm. CH và một nửa các cảm biến thành viên ở các cụm ngay cạnh
(cụm thứ i -1 i +1) ảnh hưởng tới việc truyền dữ liệu của cụm thứ i. Hơn nữa,
bộ điều phối bị ảnh hưởng bởi tất cả các CH và các cảm biến thành viên ở trong
vùng ảnh hưởng của bộ điều phối.
Giả định UP và xác suất truy cập của tất cả các cảm biến, số lượng các cảm biến
thành viên ở mỗi cụm là như nhau. Một cảm biến có thể truy cập kênh với xác suất
truy cập , trong đó, có thể tính toán từ tỷ lệ phát sinh gói tin λ của nó theo
phương pháp chuỗi Markov thời gian rời rạc (DTMC). Mặt khác, số lượng các cảm
biến thành viên trọng một cụm, số các CH và số các cảm biến thành viên mà bộ
điều phối ảnh hưởng tới được ký hiệu tương ứng là
Ns ,
Nc
Nh . Gọi N là tổng
số cảm biến (ngoại trừ các CH), khi đó
N = N . Trong điều kiện các cảm biến
c
được phân bố đồng đều trên cơ thể, số các cảm biến gần với bộ điều phối là độc lập
với số cụm, nó phụ thuộc vào vị trí của các CH. Như đã giải thích ở trên, các CH
được đặt ở giữa các cảm biến thành viên và bộ điều phối, vì vậy, tỷ số khoảng cách
từ 1 CH tới bộ điều phối, bộ điều phối và cảm biến thành viên ở xa nhất được coi
như xấp xỉ 1/3. Bởi vậy, Nh được tính như sau:
12
Nh N 12 = 9
(1)
2.2. Các phương pháp điều khiển truyền tin
2.2.1. Phân cụm không điều khiển
Phân cụm không điều khiển là việc truyền tín hiệu của các cảm biến trong từng
cụm không được điều khiển bởi bộ điều phối, mà chỉ dựa theo phương thức truy
cập CSMA/CA. Nghĩa là cảm biến trong tất cả các cụm đồng thời cảm nhận sóng
mang và truyền gói dữ liệu nếu thấy kênh truyền rỗi.
Xác suất truy cập của các CH trong trường hợp không lý tưởng được tính toán
như sau:
c = suc
(2)
Với suc là xác suất truyền thành công của tất cả các cảm biến thành viên trong
một cụm. Một cảm biến thành viên truyền thành công khi các cảm biến thành viên
khác cũng như 3 CH trong vùng ảnh hưởng của CH nhận dữ liệu đang trong trạng
thái dừng hoạt động hoặc nhận dữ liệu từ các cảm biến; Ngoài ra, dữ liệu thu được
ở CH phải được giải mã thành công. Vì thế, xác suất truyền thành công của tất cả
cảm biến trong một cụm được tính theo công thức sau:
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017
53